摘 要：以ARM9處理器S3C2440為核心芯片搭建硬件平臺，采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)為軟件開發(fā)平臺,，設(shè)計了一種基于B/S模式的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案,。通過構(gòu)建流媒體服務器，完成視頻數(shù)據(jù)的采集,、壓縮,、傳輸和保存。采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,，移植了Web服務器,，開發(fā)了Java Applet程序,，用戶通過瀏覽器即可對遠程視頻進行實時監(jiān)控,。系統(tǒng)具有實時性強、體積小,、成本低廉,、性能穩(wěn)定、交互性好等特點,，具有廣泛的應用價值,。
關(guān)鍵詞：嵌入式；視頻采集,；視頻監(jiān)控,；TCP/IP；B/S

    視頻監(jiān)控系統(tǒng)將被監(jiān)控現(xiàn)場的實時圖像和數(shù)據(jù)等信息準確,、清晰,、快速地傳送到監(jiān)控中心服務器，監(jiān)控中心將實時,、直接地掌握各個被監(jiān)控現(xiàn)場的當前情況(包括圖像,、聲音及其他敏感數(shù)據(jù))，從而對敏感事件進行快速反應[1],。視頻監(jiān)控正朝著數(shù)字化,、網(wǎng)絡(luò)化,、集成化的嵌入式視頻監(jiān)控方向蓬勃發(fā)展。相比傳統(tǒng)的視頻采集監(jiān)控系統(tǒng),，嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有可靠性高,、組網(wǎng)方便、可遠程監(jiān)控等優(yōu)點,，因而更適用于工業(yè)控制,、銀行、政府部門的安防系統(tǒng)中[2],。
    本文設(shè)計了一種具有用戶零維護,、價格低廉、性能穩(wěn)定等特點的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng),。該系統(tǒng)以ARM處理器S3C2440和嵌入式Linux操作系統(tǒng)為核心平臺,，通過USB攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)，基于TCP/IP協(xié)議進行網(wǎng)絡(luò)傳輸,，用戶通過瀏覽器即可監(jiān)控遠程視頻,，視頻可以保存，以便回放,。
1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計
1.1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計
    監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺是整個監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ),，在系統(tǒng)設(shè)計中占有至關(guān)重要的地位，硬件選擇的成功與否直接決定著系統(tǒng)功能的優(yōu)劣,。本設(shè)計中主要硬件有NAND Flash,、嵌入式處理器S3C2440、SDRAM,、網(wǎng)卡,、USB接口攝像頭等。
    視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)方案如圖1所示,。系統(tǒng)以S3C2440處理器為核心,，外擴其他外圍設(shè)備。S3C2440處理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T處理器核,，它是一款高度集成的芯片,，主頻為400 MHz，提供了一套較完整的通用外圍設(shè)備接口,，支持性價比非常高的NAND Flash啟動,，可支持Linux等多種操作系統(tǒng)的移植[3]。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件方案設(shè)計
    本系統(tǒng)選擇Linux操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)平臺,，編譯環(huán)境采用交叉編譯調(diào)試的方式,，嵌入式Linux的內(nèi)核選用2.6.13，根文件系統(tǒng)采用yaffs。
    一套完整的視頻監(jiān)控系統(tǒng)應該至少包含視頻數(shù)據(jù)的采集,、處理,、傳輸、存儲與控制等功能,，為了很好地實現(xiàn)以上功能,，本系統(tǒng)劃分為三大功能模塊：嵌入式流媒體服務器、嵌入式Web服務器和用戶視頻監(jiān)控端,。嵌入式流媒體服務器模塊主要實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的采集,、存儲和傳輸?shù)裙δ埽磺度胧絎eb服務器模塊負責處理監(jiān)控端發(fā)來的請求并通過與瀏覽器的交互為用戶提供監(jiān)控平臺,；用戶視頻監(jiān)控端模塊實現(xiàn)對遠程視頻的實時監(jiān)控,，并且可以控制視頻的亮度和對比度等。
2 嵌入式流媒體服務器的實現(xiàn)
    流媒體服務器模塊的主要功能有視頻采集,、視頻壓縮,、視頻存儲和視頻傳輸。本系統(tǒng)采用中星微公司生產(chǎn)的ZC0301芯片的USB攝像頭,，ZC0301主要由五大功能模塊組成,，即系統(tǒng)控制、圖像信號處理,、次取樣和水平掃描模塊,、JPEG編碼器和USB設(shè)備控制[4]。采用該芯片的攝像頭應用最廣泛,，方便購買和維護,，經(jīng)過此芯片處理后得到的是JPEG編碼的位流，實現(xiàn)了視頻的壓縮,。
2.1 基于Video4Linux的視頻采集
    Video4Linux(簡稱“V4L”)是Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動,，它是針對視頻設(shè)備的應用程序編程提供的一系統(tǒng)接口函數(shù)。視頻采集的基本流程如圖2所示,。利用V4L對USB攝像頭的編程需要用到Linux下2個系統(tǒng)調(diào)用，分別是ioctl()調(diào)用和mmap()調(diào)用,。

    在V4L標準中提供了多個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和控制命令, 程序通過調(diào)用函數(shù)對設(shè)備進行控制, 完成視頻采集的任務,。ioctl()函數(shù)中主要的設(shè)備控制命令有：
    (1)VIDIOCGCAP:獲取采集設(shè)備基本信息，比如支持最大最小分辨率等,；
    (2)VIDIOCSPICT,、VIDIOCGPICT：分別為設(shè)置和獲取采集圖像的各種屬性；
    (3)VIDIOCGMBUF：獲取緩沖區(qū)信息,，比如每幀大小,、最多支持的幀數(shù)等；
    (4)VIDIOCMCAPTURE：捕捉圖像，獲取圖像信息,；
    (5)VIDIOCSYNC：等待采集一幀圖像完畢,。
    應用程序獲取攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)有兩種方法,分別是read()（直接讀取的方法）和mmap()（內(nèi)存映射的方法）。mmap()系統(tǒng)調(diào)用使得進程之間通過映射同一個文件而實現(xiàn)內(nèi)存共享,，優(yōu)點是效率高,，因為進程可以直接讀寫內(nèi)存，而不需要任何數(shù)據(jù)的拷貝,，加速了I/O訪問,，本系統(tǒng)就采用此方法。
2.2 基于TCP/IP協(xié)議的視頻傳輸
    TCP/IP協(xié)議指的是Internet上使用的兩種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,，即傳輸控制協(xié)議和網(wǎng)際協(xié)議,。TCP協(xié)議是一個可靠的點到點之間的協(xié)議，IP協(xié)議是一個傳輸層的協(xié)議,。TCP/IP協(xié)議族可以將各種操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)部件連接起來,，它提供了一種在各種系統(tǒng)間移動數(shù)據(jù)的標準方法[5]。
    本系統(tǒng)中,，首先服務器通過socket函數(shù)創(chuàng)建套接字,，并使用bind函數(shù)將套接字與某端口進行綁定；然后調(diào)用listen函數(shù),，服務器將處于監(jiān)聽狀態(tài),，等待用戶監(jiān)控端請求連接指定端口；當接收到用戶監(jiān)控端的連接請求后,，服務器調(diào)用accept函數(shù)來建立與用戶監(jiān)控端間的通信,；在成功建立通信后，就可以通過read函數(shù)或write函數(shù)進行通信,。
    本系統(tǒng)可以人機交互,，用戶通過網(wǎng)頁可以向視頻服務器傳遞控制信息，比如調(diào)節(jié)幀速,、亮度等,。當建立連接后，首先用戶監(jiān)控端發(fā)送一個包含控制信息的client_t結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)給視頻服務器,；然后視頻服務器根據(jù)控制信息采集一幀視頻數(shù)據(jù),，并生成一個包含這一幀視頻信息的frame_t結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)，把它們發(fā)送給用戶監(jiān)控端,。這就完成了一次人機交互,，這樣不斷地循環(huán)，就實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸,。
3 嵌入式Web服務器的實現(xiàn)
3.1 嵌入式Web服務器的選擇
    Linux下嵌入式Web服務器主要有3個,，分別是httpd、thttpd和Boa。httpd是最簡單的一個Web服務器,，它的功能最弱,，不支持認證，不支持CGI,。thttpd和Boa都支持認證和CGI等,，功能都比較全。本系統(tǒng)采用Boa Web服務器,，它通過建立HTTP請求列表來處理多路HTTP連接請求,，節(jié)省了系統(tǒng)資源，這對嵌入式系統(tǒng)來說至關(guān)重要,。同時它還具有自動生成目錄,、自動解壓文件等功能。Boa具有很高的HTTP請求處理速度和效率,，在嵌入式系統(tǒng)中具有很高的應用價值,。
3.2 Boa在ARM上的移植與配置
    (1)移植過程
    從http://www.boa.org/下載Boa源碼，選擇boa-0.94.13.tar.gz,輸入解壓命令“tar xzvf boa-0.94.13.tar.gz”,；進入解壓生成的源碼目錄下的src子目錄,，輸入命令“./configure”,生成Makefile文件；修改Makefile文件,，將CC和CPP的值改成交叉編譯器安裝的路徑,；輸入命令“make”即可交叉編譯生成可執(zhí)行文件Boa,通過串口下載到根文件系統(tǒng)下的/ bin下就實現(xiàn)了移植。
    (2)配置
    在/etc目錄下新建一個Boa目錄,，里面存放Boa的主要配置文件boa.conf,，在Boa源碼目錄下已有一個示例boa.conf，可以在其基礎(chǔ)上進行修改,；修改Group nogroup為Group root,，修改User nobody為User root，這里的root是開發(fā)板存在的組和用戶,；修改#ServerName www.your.org.here為ServerName cs2440,；修改DocumentRoot /var/www為DocumentRoot /www,設(shè)置HTML文檔的主目錄/www，其他采用默認設(shè)置即可,。此外,，還需要將mime.types文件復制到/etc目錄下，通?？梢詮腖inux主機的/etc目錄下直接復制即可。
4 基于B/S模式的用戶視頻監(jiān)控端實現(xiàn)
    系統(tǒng)采用B/S模式,，相比C/S模式,，用戶不需要做任何維護，這對用戶人力、物力,、時間,、費用的節(jié)省是顯而易見的，并且可以跨平臺操作,，真正方便了用戶,。
    系統(tǒng)通過開發(fā)Java Applet應用程序，并嵌入網(wǎng)頁中,，網(wǎng)頁名稱設(shè)為Boa Web服務器默認主頁名,，把它們保存在/www中，用戶在瀏覽器地址欄中輸入視頻服務器的IP地址,，就能在網(wǎng)頁里顯示攝像頭的監(jiān)控圖像,。通過Java Applet與視頻服務器進行交互，實現(xiàn)對視頻數(shù)據(jù)的控制,、傳輸和播放,。Java Applet程序中主要功能步驟和主要函數(shù)可描述為：
    (1)創(chuàng)建套接字、輸入流和輸出流,。
    connection=new Socket(m_strServer,port),；
    in=connection.getInputStream()；
    out=connection.getOutputStream(),；
    IP地址及端口都是由嵌入在HTML中<applet>…</applet>部分的參數(shù)傳入的,，并創(chuàng)建此Socket對象的輸入流和輸出流。
    (2）分配接收緩沖區(qū)：byte[]buffer=new byte[512*1024],；
    (3)發(fā)送一個用戶控制信息,。它由用戶用鼠標點擊圖標而生成。當用戶點擊瀏覽器中的視頻窗口時,，在上方會顯示亮度等圖標,，通過點擊圖標兩側(cè)的“+”和“-”而寫入控制信息；當點擊圖標以外的地方,，圖標就會消失,，實現(xiàn)全窗口的視頻，便于監(jiān)控,，操作簡單,。
    Public void mouse(MouseEvent evt) {…}；
    out.write(b);//b是包含控制信息的字符數(shù)組名
    (4)讀取一幀圖像頭信息,，確認圖像數(shù)據(jù)的正確性和獲取圖像數(shù)據(jù)的大小,。
    n=in.read(buffer,0,HDRLEN)；//HDRLEN為圖像信息頭長度,，設(shè)置為50 B
    對頭信息中包含的約定字符進行判斷,，若正確就可以繼續(xù)接收圖像數(shù)據(jù),，不正確則返回（3）。
    (5)讀取圖像數(shù)據(jù),，把頭信息后的圖像數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū),，以供播放顯示。
    r=in.read(buffer,HDRLEN,buffer.length-HDRLEN);
    (6)實現(xiàn)圖像顯示,。由于緩沖區(qū)中包含圖像頭信息,，為單獨使用圖像數(shù)據(jù)，需把圖像數(shù)據(jù)拷貝到另一緩沖區(qū)buffer2中,。
    BufferedImage image=    ImageIO.read(new ByteArrayInputStream(buffer2)),；
    ImageIcon ii=new ImageIcon(image)；
    m_label.setIcon(ii),；//顯示圖像
    通過以上（3）到（6）的不斷循環(huán)運行,，用戶從監(jiān)控網(wǎng)頁上可以看到連續(xù)動態(tài)的圖像，效果很好,，畫面流暢,，不存在明顯的延時，實現(xiàn)了視頻監(jiān)控,。
    本文提出的這種基于B/S的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)相比傳統(tǒng)C/S模式,，真正實現(xiàn)了用戶零維護，可以跨平臺監(jiān)控,，方便用戶,。采用嵌入式處理器和Linux操作系統(tǒng)相結(jié)合，很好地體現(xiàn)了本監(jiān)控系統(tǒng)具有集成化,、網(wǎng)絡(luò)化,、功耗低等優(yōu)點，可廣泛擴展應用在工業(yè)控制,、可視電話,、交通管理等諸多領(lǐng)域。
參考文獻
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